雙管板換熱器的工作原理及其性能淺析
在換熱管端部有一塊管板，稱為外側(cè)管板，也就是管程管板，兼作設(shè)備法蘭，與換熱管及管箱法蘭相連接。在距換熱管端部較近的位置還有一塊管板，稱為內(nèi)側(cè)管板，即殼程管板，與換熱管及殼程相連接。外側(cè)管板與內(nèi)側(cè)管板之間有一定的距離，這部分空間可以用一個短節(jié)跟外界隔離開，組成一個不承受壓力的隔離腔；也可以是一個敞開的結(jié)構(gòu)。
雙管板換熱器是在換熱器一端設(shè)有一定間隙的兩塊管板或相當(dāng)于有一定間隙的兩塊管板的換熱器，在實(shí)際操作中，雙管板換熱器一般用于以下兩種場合：一種是絕對防止管殼程間介質(zhì)混串的場合，例如，對殼程走水、管程走氯氣或氯化物的換熱器，若殼程中的水與管程中的氯氣或氯化物接觸，就會產(chǎn)生具有強(qiáng)腐蝕性的鹽酸或次氯酸，并對管程材質(zhì)造成嚴(yán)重的腐蝕。采用雙管板結(jié)構(gòu)，能有效防止兩種物料混合，從而杜絕上述事故的發(fā)生；另一種是管殼程間介質(zhì)壓差很大的場合，此時通常在內(nèi)外管板之間的空腔中加入一種介質(zhì)，以減小管殼程間介質(zhì)的壓差。
在如下情形時，換熱器管程和殼程介質(zhì)嚴(yán)格禁止混合，則常常采用雙管板結(jié)構(gòu)：
①當(dāng)管程和殼程二介質(zhì)相混合后會引起嚴(yán)重腐蝕；
②一側(cè)為極度或高度危害介質(zhì)滲入到另一側(cè)會引起嚴(yán)重后果；
③當(dāng)管程和殼程介質(zhì)相混合后兩種介質(zhì)會引起燃燒或爆炸；
④當(dāng)一種介質(zhì)混入另一種介質(zhì)時，引起催化劑中毒；
⑤管程和殼程介質(zhì)相混合后會引起聚合或生成樹脂狀物質(zhì)；
⑥管程和殼程介質(zhì)相混合后會引起化學(xué)反應(yīng)終止或限制；
⑦管程和殼程介質(zhì)相混合后，引起產(chǎn)品污染或產(chǎn)品質(zhì)量下降。
雙管板換熱器采用固定管板結(jié)構(gòu)，管束不能抽出清洗，這是與單管板換熱器可采用多種結(jié)構(gòu)型式、管束可以抽出清洗不同的地方。對于溫差較大的雙管板換熱器，筒體上可加裝波紋膨脹節(jié)；而單管板換熱器除可考慮筒體上加裝波紋膨脹節(jié)外，常采用浮頭或U型管型式來補(bǔ)償。
對于雙管板換熱器，存在兩種設(shè)計(jì)理念的認(rèn)識：一種認(rèn)為雙管板換熱器用于絕對防止管殼程間介質(zhì)混串的場合，設(shè)計(jì)在內(nèi)外管板之間空腔上加裝排液倒淋閥，供日常觀察和內(nèi)管板發(fā)生泄漏時排放，使得管殼程介質(zhì)切實(shí)被內(nèi)外二層管板隔離。這是采用雙管板結(jié)構(gòu)型式的主要目的。
另一種認(rèn)為雙管板換熱器可用于管殼程間介質(zhì)壓差很大的場合，設(shè)計(jì)在內(nèi)外管板之間的空腔中加入一種介質(zhì)，來減小管殼程間介質(zhì)的壓差。這和一般單管板換熱器一樣，不能絕對保證外管板上管口不發(fā)生泄漏。
雙管板之間的隔離腔是與單管板換熱器結(jié)構(gòu)主要區(qū)別之處，該隔離腔不與管程、殼程相連通，不承受介質(zhì)壓力，但承受設(shè)備的機(jī)械載荷與熱載荷。隔離腔的承載能力主要取決于雙管板間距。對固定式雙管板進(jìn)行殼程水壓試驗(yàn)時，內(nèi)側(cè)管板與換熱管連接處可能存在泄漏，故在確定雙管板間距時必須考慮觀察、檢漏所需要的最小空間。
1.物料通過衛(wèi)生級鋼管束內(nèi)進(jìn)行流動，冷媒或熱媒在相反的方向通過外管路流動，換熱管束的末端采用雙管板緊固，同時作為滲漏監(jiān)測點(diǎn)，防止物料和換熱媒介雙向交叉污染。
2.換熱器采用雙管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使管程和殼程分別采用各自的管板進(jìn)行連接，打破傳統(tǒng)列管換熱器管程和殼程共用一個連接管板，最大限度的降低了交叉污染的風(fēng)險，便于及時發(fā)現(xiàn)泄漏隱患，確保用戶安全地生產(chǎn)。
3.換熱列管為316L衛(wèi)生級管道，表面光滑，直通結(jié)構(gòu)，沒有死角，清潔方便、徹底，設(shè)備最低點(diǎn)均有排空閥，有利于物料、清洗水及在線滅菌后的凝水排空。全排空設(shè)計(jì)避免產(chǎn)品接觸部位出現(xiàn)死角，能夠預(yù)防微生物的滋生，易于清洗和滅菌。
4.換熱器采用316L不銹鋼制作，也可按客戶要求的材質(zhì)制作，與物料接觸的管道內(nèi)表面粗糙系數(shù)從0.25μm到0.4μm，適合采用CIP/SIP進(jìn)行在線高溫清洗滅菌。
對于某一換熱器而言，當(dāng)管子的中心距和排列方式確定后，最外圈換熱管的外切圓尺寸就是一定值，按照式(1)和式(2)就能算出間隙G值。中心距的大小按照殼程管板與管子連接方式的不同而不同，采用強(qiáng)度脹接時的中心距可參照GB151-99《管殼式換熱器》中的有關(guān)規(guī)定。但當(dāng)管板與管子采用焊接時，換熱管中心距要加大，否則因焊條角度不合適將難以焊接，甚至無法焊接，焊接質(zhì)量更是無從談起。
雙管板換熱器的殼程管板與管子采用焊接后會使管子的中心距增加，從而使設(shè)備的直徑加大，成本有所增加。但它的優(yōu)勢也很突出，特別是設(shè)備投入使用后，下管板與管束采用焊接的就易于檢修，而采用脹接的基本上就無法檢修。在化工生產(chǎn)中，設(shè)備的投資是一次性的，總希望生產(chǎn)能長周期連續(xù)運(yùn)行，檢修時間越短越好。因此，雙管板換熱器的下管板與管束能采用焊接時應(yīng)盡量采用焊接，特別是在間隙G不是較大的情況下，脹焊并用，效果更佳。
雙管板換熱器制造過程中關(guān)鍵要控制四塊管板的同軸度、平行度、扭曲度及其與殼體軸線的垂直度，這樣大大可保障設(shè)備的制造質(zhì)量，也可保障換熱管與管板的連接性能。
1、殼體
要嚴(yán)格控制有關(guān)幾何尺寸和方位。錯邊量、棱角度和無損探傷按GB150-1998規(guī)定執(zhí)行，周長、圓度和直線度按GB151規(guī)定執(zhí)行，殼體長度按圖樣規(guī)定。檢查殼體兩端面平行度與殼體軸線垂直度，在兩端面標(biāo)出對稱的十字中心線，且兩端面中心線連線(方位線)平行于殼體軸線，該標(biāo)記線是組對雙管板的基準(zhǔn)之一。用與折流板外徑相等的圓盤模板工裝預(yù)先檢測殼體內(nèi)徑與直線度，確保折流板外徑和殼體內(nèi)壁有一定間隙，使管束能順利裝入殼體。
2、雙管板換熱器的管板及折流板
在雙管板換熱器中，換熱管的端部的管板稱為外管板，此管板兼作設(shè)備法蘭，分別與換熱管及管箱法蘭相連；在距換熱管端部較近位置的管板稱為內(nèi)管板，分別與換熱管和殼程相連。
采用數(shù)控鉆床鉆孔，控制管孔直徑、垂直度及管孔間距。為利于穿管，管板和折流板的鉆孔方向應(yīng)與穿管方向一致。按圖樣和GB151規(guī)定對單塊管板管孔進(jìn)行檢驗(yàn)，特別是內(nèi)側(cè)管板管孔內(nèi)不允許有貫通性的螺旋形或縱向條痕。把兩組雙管板分別按鉆孔方向疊置，找同心，用換熱管逐孔預(yù)穿。將折流板疊置鉆孔，按鉆孔方向逐塊做順序號和正反面標(biāo)記。每塊折流板正反面的管孔均要仔細(xì)倒角、清除毛刺，防止穿管時損傷管子外表面。把雙管板和折流板按鉆孔的方向順序疊置，用換熱管逐孔預(yù)穿。
3、雙管板預(yù)裝
清除管孔內(nèi)和管板面的毛刺、鐵屑、銹斑及油污等影響脹接質(zhì)量的異物。將每組雙管板用50ｍｍ長的定位筋板連接成1個整體,調(diào)整每組雙管板的同心度、平行度和扭曲度,用換熱管逐孔預(yù)穿之后,按焊接工藝分別固定焊成2組雙管板。
4、管束與殼體組裝
在殼體內(nèi)組裝拉桿、折流板,并進(jìn)行穿管的方法較為穩(wěn)妥,有利于控制2組雙管板的組裝質(zhì)量。最好使用剛出廠的外表面光滑的管子,杜絕使用有腐蝕坑的換熱管。按殼體的方位線先組對第2組雙管板,調(diào)整第2組雙管板與殼體的垂直度和同心度。在殼體內(nèi)把拉桿裝于內(nèi)側(cè)管板2上,按鉆孔的順序組對折流板。
每裝1塊折流板,就從外側(cè)管板2密封面方向穿入梅花形的數(shù)組換熱管。其目的是自然調(diào)整折流板與管板的同心度。待用螺母緊固折流板之后,可從折流板朝外側(cè)管板2方向穿入全部換熱管。換熱管伸出外側(cè)管板2的長度大于雙管板間距的2倍。最后組裝第1組雙管板,測量外側(cè)管板1和內(nèi)側(cè)管板1的同心度、平行度和扭曲度及2組雙管板之間距。穿入全部換熱管后,以外側(cè)管板面為基準(zhǔn),調(diào)整換熱管伸出管板面的長度為3～4ｍｍ。雙管板與換熱管連接的順序?yàn)?先脹接內(nèi)側(cè)管板與換熱管,后焊接外側(cè)管板與換熱管。
5、內(nèi)側(cè)管板與換熱管的液壓脹接
采取二次脹接法。采用脹接工藝評定試驗(yàn)選取的工作脹接壓力進(jìn)行第1次液壓脹接,然后以等于或略大于第1次的脹接壓力再脹接一遍。二次脹接法雖然延長了液壓脹接的作業(yè)時間,卻是防止雙管板漏脹的有效措施。采取連續(xù)的柔性鏈?zhǔn)矫浗禹樞颉?/span>
例如從管板頂部開始,第1行從右側(cè)開始向左側(cè)脹接,第2行從左側(cè)向右側(cè)脹接,依此類推,直至管板底部脹完。為防止漏脹或重脹,在現(xiàn)場布置相同的管板圖,逐孔脹接并做標(biāo)記。根據(jù)脹接情況,要不定期地復(fù)檢脹桿軸定位尺寸,確保液袋位于管板孔的脹接范圍之內(nèi)。
6、外側(cè)管板與換熱管焊接
按焊接工藝要求,采用氬弧焊,先焊接第1層,進(jìn)行壓力為0.05ＭＰａ的氣密性試驗(yàn)。然后采用氬弧焊再焊接第2層,進(jìn)行100%ＰＴ檢查。
7、壓力試驗(yàn)
首先按圖樣壓力進(jìn)行殼程的水壓試驗(yàn),從隔離腔的空間檢查管子與內(nèi)側(cè)管板的連接質(zhì)量。殼程水壓試驗(yàn)合格后,組焊隔離腔的哈呋短節(jié)使之成為密閉的腔體。按圖樣壓力進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。分別在隔離腔下方的2個排泄孔安裝透明的Ｕ形管檢驗(yàn)工裝,Ｕ形管內(nèi)加水,保持一定的水平液位。
如若有試驗(yàn)氣體微滲漏時,則Ｕ形管內(nèi)的水平液位就會發(fā)生變化,以氣密性試驗(yàn)時Ｕ形管內(nèi)仍保持液位水平為合格。按圖樣要求進(jìn)行殼程氨滲透試驗(yàn),在隔離腔的排泄孔貼試紙,試紙不變色為合格。然后按圖樣要求對隔離腔進(jìn)行氣密性試驗(yàn),最后對管程進(jìn)行水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。
同單管板換熱器相比，雙管板換熱器管程殼程間泄漏概率低得多；受力狀況更好。
1、雙管板換熱器與單管板換熱器結(jié)構(gòu)比較
從結(jié)構(gòu)看，雙管板換熱器采用固定管板式結(jié)構(gòu)，管束不能抽出清洗。實(shí)際使用表明，采用機(jī)械脹管法制造的雙管板換熱器，可以滿足使用要求。
雙管板換熱器采用固定管板結(jié)構(gòu)，管束不能抽出清洗,，單管板換熱器可采用多種結(jié)構(gòu)型式，管束可以抽出清洗。對于溫差較大的雙管板換熱器，簡體上可加裝波紋膨脹節(jié)；而單管板換熱器除可考慮簡體上加裝波紋膨脹節(jié)外，常采用浮頭或U型管型式來補(bǔ)償。
對于雙管板換熱器，存在二種設(shè)計(jì)理念的認(rèn)識：一種認(rèn)為雙管板換熱器用于絕對防止管殼程間介質(zhì)混串的場合，設(shè)計(jì)在內(nèi)外管板之間空腔上加裝排液倒淋閥，供日常觀察和內(nèi)管板發(fā)生泄漏時排放，使得管殼程介質(zhì)切實(shí)被內(nèi)外二層管板隔離，這是采用雙管板結(jié)構(gòu)型式的主要目的。
另一種認(rèn)為雙管板換熱器可用于管殼程間介質(zhì)，壓差很大的場合，設(shè)計(jì)在內(nèi)外管板之間的空腔中加入一種介質(zhì)，來減小管殼程間介質(zhì)的壓差。這和一般單管板換熱器一樣，不能絕對保證外管板上管口不發(fā)生泄漏。
2、雙管板換熱器與單管板換熱器使用上的比較
單管板換熱器最常見。在使用中除經(jīng)常出現(xiàn)墊片螺栓法蘭接頭密封泄漏外，還會出現(xiàn)管板上的管口泄漏，以及焊接裂紋等。單管板換熱器管板上的管口泄漏大部分出現(xiàn)在焊接收弧處。焊接收弧時氣體未放干凈，有砂眼。雙管板換熱器具有內(nèi)外雙層管板，如果內(nèi)管板管口泄漏，還有外管板防護(hù)。
雙管板換熱器筒體大法蘭盤錐體小端與筒體結(jié)合部位于內(nèi)外管板間形成的空腔外邊上，空腔中無介質(zhì)或介質(zhì)壓力很小。受力狀況好于單管板換熱器。另外,雙管板換熱器壓力試驗(yàn)要打遍壓(管程，兩內(nèi)管板之間的殼程,兩側(cè)內(nèi)外管板之間的腔體)，單管板換熱器壓力試驗(yàn)要打2～3遍壓(管程,殼程或管程，殼程，小浮頭)。
3、雙管板換熱器與單管板換熱器制造的比較
①制造費(fèi)用不同：雙管板換熱器與單管板換熱器相比，增加部分為兩個外管板,兩個內(nèi)外管板之間的腔體和腔體中的換熱管。
② 脹接不同：通常換熱管和管板的連接大致有四種形式,即強(qiáng)度焊(常見氬弧焊),強(qiáng)度脹,強(qiáng)度焊+貼脹,強(qiáng)度脹+密封焊, 其差異主要反映在管孔是否開槽和焊接坡口及管子伸出長度等方面. 脹接可分為非均勻脹接(機(jī)械滾珠脹接), 均勻脹 接(液壓脹接,液袋脹接,橡膠脹接,爆炸脹接等)。
雙管板換熱器設(shè)計(jì)要求采取強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹,采用液壓脹管法。
單管板換熱器一般設(shè)計(jì)要求采用強(qiáng)度焊+ 貼脹,采用機(jī)械脹管或手工脹管即可。
總結(jié)：
雙管板換熱器作為主要用于高溫、高壓、易燃、易爆、有毒或較強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的換熱器的工況下，若要更好地推廣應(yīng)用，必須掌握好設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、維護(hù)各個環(huán)節(jié)，其中很重要就是雙管板換器制造質(zhì)量要好，要求較高的制造精度，同時換熱管質(zhì)量要好，保證在使用中不出現(xiàn)換熱管壁破裂的情況。
